论文部分内容阅读
我们身体中，有这样一类基因，它们没有任何明显的“祖先”，就好像是凭空出现一样。科学家正在全力以赴，追踪着它们的来龙去脉。
基因复制出错时可能变异出一个新的基因，并由此逐渐产生整个有同源关系的基因家族。这个过程就好像动物界中，经过一段漫长的时间，一个物种分化出众多具有较近亲缘关系的不同物种，形成“物种大家族” 。
没有家族谱系的“孤儿基因”
没有家庭挡风遮雨的生活，可以说是举步维艰的。由于各种不幸的原因，一些孩子在很小的时候便成为了孤儿，他们要付出千百倍于常人的努力与命运抗争，去激发自己的潜能。而这些孤儿中的佼佼者，比如亚里士多德和史蒂夫·乔布斯，有时竟能改变这个世界。
谁又曾想到过，我们的DNA也和那些弃婴们有着相似的情况呢？当生物学家开始排列基因组时，他们发现，人体内的基因片断中，有超过三分之一的部分既找不到与它们同源的基因，也没有发现它们的演化史——看上去既没有“父母”，也没有任何“亲属”，就像是不知道从哪里冒出来的“孤儿”。但是你可千万不要小看它们，要知道在这些“孤儿基因”中，拥有不少“成就甚伟”者，它们之中甚至有一部分在人类大脑的进化过程中，扮演了相当重要的角色。
我们知道，生物体内大部分基因都来自于几个大的基因家族，而且每个基因家族都有悠久的历史，可以追溯到千百万年前共同的祖先，然后不断变异演化，形成庞大的基因家族。以脊椎动物眼睛里的视蛋白基因为例，科学家发现，从水母到昆虫，许多的动物身上，都有着与人类相似的视蛋白。动物王国中成千上万种不同的视蛋白基因都是通过复制，并在此基础上进化而成的，它们都源于7亿年前一个共同祖先的一个基因！
早在上世纪70年代，就有科学家提出，基因复制出错时可能变异出一个新的基因，并由此逐渐产生整个有着同一祖先关系的基因家族。这个过程就好像动物界中，经过一段漫长的时间，一个物种分化出众多具有较近亲缘关系的不同物种，形成“物种大家族”。
可是，那些不属于任何基因家族的单个“孤儿基因”是怎么回事呢？一些科学家猜测，孤儿基因是遗传学上的活化石，类似于动物界中的腔棘鱼，是一个古老基因家庭遗留下来的仅存的成员；另一些科学家则认为，这些孤儿基因并没有什么特别，只不过是一些亲缘基因还未被人们发现的普通基因罢了，毕竟，人类对于全部基因组的探索也才刚刚开始。
如此多的“孤儿”
但是，随着越来越多的生命体的基因组被成功排序，孤儿基因现象却依旧普遍存在，基因中相互之间的“亲缘关系”反而被证明是例外，而不是常规情况。迄今为止，所有的基因组序列中都发现了“孤儿基因”的存在，从蚊子到人类，从蛔虫到老鼠，而它们的数量也在持续增加着。
正如前文所说，这些孤儿基因在生物体内发挥着极为重要的作用，它们有的充当修复DNA组织结构的角色，有的起着可以控制其他基因活动的作用。比如，在昆虫身上有一种孤儿基因，可以帮助昆虫生成一种“肌翼蛋白”，进化出辅助飞行的能力；还有果蝇身上的孤儿基因，有助于果蝇觅食习性的形成；在珊瑚和水母身体中的孤儿基因能够帮助蛰刺细胞的发展，蛰刺细胞可以发射出充满毒液的囊体攻击猎物，使之昏迷；在淡水水螅体内发现的孤儿基因则能操纵引导水螅的触手将食物送到它们的嘴中；而极地鳕鱼体内的孤儿基因，则是一种很特别的防冻基因，让它们能够在酷寒的北极地带得以生存。
有意思的是，孤儿基因在生物的脑部区域表达得最充分。2011年，科学家们对人类、黑猩猩以及猩猩体内的198种孤儿基因进行了鉴定，这些孤儿基因与掌管其高级认知能力的区域——前额皮质的表达有着密切联系。这些孤儿基因中，有54种为人类所独有。从进化论角度看，这54种基因非常年轻，还不到2500万岁，而它们的出现时间似乎与灵长类动物大脑区域的扩张过程完全吻合。这意味着，这些孤儿基因直接促成了人类最伟大的进化——人类大脑的进化。
另一个生物学实验也证实了孤儿基因与大脑的关联。生物学家将一种在人类大脑中得以表达的孤儿基因移植到发育中的小鼠身上，结果发现，这种基因虽然没有使小鼠的大脑变得更大，但是它却真的促使神经细胞上的树突排列得更为密集，而树突的作用则是使神经能够与自己的“邻居”交流联系。如果这种联系越多，大脑拥有的计算能力也就越强大。这个实验说明，孤儿基因在动物大脑发育过程中起到了重要作用。
追踪“孤儿基因”的起源
但是这些孤儿基因到底从何而来？有科学家提出，孤儿基因也是由其他基因复制而成的，但是在形成之后，它们快速地开始进化演变，最终所有与源基因相似的特征全部消失了。为了证实这一猜测，科学家对果蝇进行了实验观测，发现孤儿基因的进化速度的确是非孤儿基因的三倍之多。
虽然这种推测看似有理有据，但是之后又有研究表明，这一推测仅仅能够解释极少一部分孤儿基因的起源。也就是说，虽然快速进化过程对孤儿基因的形成非常重要，但却并不是全部的事实。因此，另一部分科学家猜测，就像是很多草根的奋斗史一样，这些孤儿基因也是“白手起家”的，是从生物体内大量存在的垃圾DNA中随机生长出来的。但是，从无用的垃圾DNA飞跃到有用基因被认为是一件艰巨到不可能完成的任务，因此，这个猜测并不能让主流科学家信服。不过，人们显然忘了，自然界中没有什么是不可能的，很快，科学家陆续在酵母、大米、小鼠和果蝇身上找到了基因“白手起家”的证据。2009年，爱尔兰都柏林大学的科学家证明了人类身上的3个孤儿基因的确是从一无所有中被创造出来的。2011年，另一个研究小组更进一步地描述了60种人类孤儿基因从无到有的形成过程。从此之后，越来越多的研究显示，从垃圾DNA中脱胎换骨、重新组合的孤儿基因不在少数。
当然，无用的基因重新组合形成新的基因，可不是上嘴皮碰下嘴皮那么简单就能成功的，它怎样才能成为可能呢？科学家发现，孤儿基因大都与已有的基因毗邻或稍稍重合，这样一来，孤儿基因就有可能向那些正常运行的基因“借用”部分序列，以使自己转化成有用的基因。研究人员分析了270个取自灵长类动物身上的孤儿基因，它们中有半数从跳跃基因中获得了部分序列，那些转座子就像寄生物一样能够在基因组中跳来跳去，正是在这过程中，它们被孤儿基因利用了。
对于孤儿基因，我们还有许多需要继续探索发现，但是我们现在已经开始追踪它们祖先的痕迹了。看起来，我们找不到大多数孤儿基因的家人，是因为它们本来就没有家人。它们出身于一大堆看起来毫无用处的垃圾DNA——犹如人类世界里从垃圾里捡起的没有身世的孤儿——完全凭着自己的奋斗，成了基因世界的栋梁之才。
基因复制出错时可能变异出一个新的基因，并由此逐渐产生整个有同源关系的基因家族。这个过程就好像动物界中，经过一段漫长的时间，一个物种分化出众多具有较近亲缘关系的不同物种，形成“物种大家族” 。
没有家族谱系的“孤儿基因”
没有家庭挡风遮雨的生活，可以说是举步维艰的。由于各种不幸的原因，一些孩子在很小的时候便成为了孤儿，他们要付出千百倍于常人的努力与命运抗争，去激发自己的潜能。而这些孤儿中的佼佼者，比如亚里士多德和史蒂夫·乔布斯，有时竟能改变这个世界。
谁又曾想到过，我们的DNA也和那些弃婴们有着相似的情况呢？当生物学家开始排列基因组时，他们发现，人体内的基因片断中，有超过三分之一的部分既找不到与它们同源的基因，也没有发现它们的演化史——看上去既没有“父母”，也没有任何“亲属”，就像是不知道从哪里冒出来的“孤儿”。但是你可千万不要小看它们，要知道在这些“孤儿基因”中，拥有不少“成就甚伟”者，它们之中甚至有一部分在人类大脑的进化过程中，扮演了相当重要的角色。
我们知道，生物体内大部分基因都来自于几个大的基因家族，而且每个基因家族都有悠久的历史，可以追溯到千百万年前共同的祖先，然后不断变异演化，形成庞大的基因家族。以脊椎动物眼睛里的视蛋白基因为例，科学家发现，从水母到昆虫，许多的动物身上，都有着与人类相似的视蛋白。动物王国中成千上万种不同的视蛋白基因都是通过复制，并在此基础上进化而成的，它们都源于7亿年前一个共同祖先的一个基因！
早在上世纪70年代，就有科学家提出，基因复制出错时可能变异出一个新的基因，并由此逐渐产生整个有着同一祖先关系的基因家族。这个过程就好像动物界中，经过一段漫长的时间，一个物种分化出众多具有较近亲缘关系的不同物种，形成“物种大家族”。
可是，那些不属于任何基因家族的单个“孤儿基因”是怎么回事呢？一些科学家猜测，孤儿基因是遗传学上的活化石，类似于动物界中的腔棘鱼，是一个古老基因家庭遗留下来的仅存的成员；另一些科学家则认为，这些孤儿基因并没有什么特别，只不过是一些亲缘基因还未被人们发现的普通基因罢了，毕竟，人类对于全部基因组的探索也才刚刚开始。
如此多的“孤儿”
但是，随着越来越多的生命体的基因组被成功排序，孤儿基因现象却依旧普遍存在，基因中相互之间的“亲缘关系”反而被证明是例外，而不是常规情况。迄今为止，所有的基因组序列中都发现了“孤儿基因”的存在，从蚊子到人类，从蛔虫到老鼠，而它们的数量也在持续增加着。
正如前文所说，这些孤儿基因在生物体内发挥着极为重要的作用，它们有的充当修复DNA组织结构的角色，有的起着可以控制其他基因活动的作用。比如，在昆虫身上有一种孤儿基因，可以帮助昆虫生成一种“肌翼蛋白”，进化出辅助飞行的能力；还有果蝇身上的孤儿基因，有助于果蝇觅食习性的形成；在珊瑚和水母身体中的孤儿基因能够帮助蛰刺细胞的发展，蛰刺细胞可以发射出充满毒液的囊体攻击猎物，使之昏迷；在淡水水螅体内发现的孤儿基因则能操纵引导水螅的触手将食物送到它们的嘴中；而极地鳕鱼体内的孤儿基因，则是一种很特别的防冻基因，让它们能够在酷寒的北极地带得以生存。
有意思的是，孤儿基因在生物的脑部区域表达得最充分。2011年，科学家们对人类、黑猩猩以及猩猩体内的198种孤儿基因进行了鉴定，这些孤儿基因与掌管其高级认知能力的区域——前额皮质的表达有着密切联系。这些孤儿基因中，有54种为人类所独有。从进化论角度看，这54种基因非常年轻，还不到2500万岁，而它们的出现时间似乎与灵长类动物大脑区域的扩张过程完全吻合。这意味着，这些孤儿基因直接促成了人类最伟大的进化——人类大脑的进化。
另一个生物学实验也证实了孤儿基因与大脑的关联。生物学家将一种在人类大脑中得以表达的孤儿基因移植到发育中的小鼠身上，结果发现，这种基因虽然没有使小鼠的大脑变得更大，但是它却真的促使神经细胞上的树突排列得更为密集，而树突的作用则是使神经能够与自己的“邻居”交流联系。如果这种联系越多，大脑拥有的计算能力也就越强大。这个实验说明，孤儿基因在动物大脑发育过程中起到了重要作用。
追踪“孤儿基因”的起源
但是这些孤儿基因到底从何而来？有科学家提出，孤儿基因也是由其他基因复制而成的，但是在形成之后，它们快速地开始进化演变，最终所有与源基因相似的特征全部消失了。为了证实这一猜测，科学家对果蝇进行了实验观测，发现孤儿基因的进化速度的确是非孤儿基因的三倍之多。
虽然这种推测看似有理有据，但是之后又有研究表明，这一推测仅仅能够解释极少一部分孤儿基因的起源。也就是说，虽然快速进化过程对孤儿基因的形成非常重要，但却并不是全部的事实。因此，另一部分科学家猜测，就像是很多草根的奋斗史一样，这些孤儿基因也是“白手起家”的，是从生物体内大量存在的垃圾DNA中随机生长出来的。但是，从无用的垃圾DNA飞跃到有用基因被认为是一件艰巨到不可能完成的任务，因此，这个猜测并不能让主流科学家信服。不过，人们显然忘了，自然界中没有什么是不可能的，很快，科学家陆续在酵母、大米、小鼠和果蝇身上找到了基因“白手起家”的证据。2009年，爱尔兰都柏林大学的科学家证明了人类身上的3个孤儿基因的确是从一无所有中被创造出来的。2011年，另一个研究小组更进一步地描述了60种人类孤儿基因从无到有的形成过程。从此之后，越来越多的研究显示，从垃圾DNA中脱胎换骨、重新组合的孤儿基因不在少数。
当然，无用的基因重新组合形成新的基因，可不是上嘴皮碰下嘴皮那么简单就能成功的，它怎样才能成为可能呢？科学家发现，孤儿基因大都与已有的基因毗邻或稍稍重合，这样一来，孤儿基因就有可能向那些正常运行的基因“借用”部分序列，以使自己转化成有用的基因。研究人员分析了270个取自灵长类动物身上的孤儿基因，它们中有半数从跳跃基因中获得了部分序列，那些转座子就像寄生物一样能够在基因组中跳来跳去，正是在这过程中，它们被孤儿基因利用了。
对于孤儿基因，我们还有许多需要继续探索发现，但是我们现在已经开始追踪它们祖先的痕迹了。看起来，我们找不到大多数孤儿基因的家人，是因为它们本来就没有家人。它们出身于一大堆看起来毫无用处的垃圾DNA——犹如人类世界里从垃圾里捡起的没有身世的孤儿——完全凭着自己的奋斗，成了基因世界的栋梁之才。